曹加勇，張占月

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速研究所，四川 綿陽 621000；2.裝備指揮技術(shù)學(xué)院，北京 101416）

同步軌道通信衛(wèi)星對地覆蓋范圍大，保障區(qū)域固定，通信持續(xù)時間長，少量衛(wèi)星即可完成組網(wǎng)通信，因此現(xiàn)有的大多數(shù)通信衛(wèi)星部署在同步軌道。這些同步軌道通信衛(wèi)星中，由于作戰(zhàn)區(qū)域的不同，衛(wèi)星部署的位置、衛(wèi)星功能等重要指標不同，各顆衛(wèi)星對于某一特定區(qū)域的綜合能力不盡相同。準確地對衛(wèi)星綜合能力進行評估排序?qū)τ谘芯啃亲M網(wǎng)和衛(wèi)星的防護具有重要的價值。本文根據(jù)同步軌道通信衛(wèi)星的特點，在考慮衛(wèi)星基本能力的同時，通過劃分作戰(zhàn)區(qū)域等級，考慮衛(wèi)星綜合運用能力等，更加完整地考慮了影響衛(wèi)星綜合能力的各類因素。本文采用逼近理想值點法（TOPSIS）對其進行綜合能力評估，計算過程方便，為衛(wèi)星評估提供了一種方法。

1 同步軌道通信衛(wèi)星綜合能力評估過程

1.1 評估過程

對同步軌道通信衛(wèi)星進行綜合能力評估時，首先要分析評估對象，根據(jù)評估對象的特點建立合理的評估指標體系。由于同步軌道通信衛(wèi)星系統(tǒng)綜合能力的評估指標體系中既有定量指標，又有定性指標。因而采取定量計算和定性分析相結(jié)合的方法獲取指標值。而后運用逐層序關(guān)系法確定各項指標權(quán)重系數(shù)，運用逼近理想點值法對衛(wèi)星綜合能力進行評估排序。評估過程如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星綜合能力評估過程

1.2 構(gòu)建評估指標體系

構(gòu)建評估指標體系是衛(wèi)星評估的重要一環(huán)。根據(jù)建立指標體系依據(jù)的基本原則，全面考慮各種因素，確定通信系統(tǒng)功能和指標度量，采用自頂向下法與自適應(yīng)漸進法相結(jié)合的方法，并在參考相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上建立如圖2所示的同步軌道通信衛(wèi)星綜合能力評估指標體系。

圖2 同步軌道通信衛(wèi)星綜合能力評估指標體系

同步軌道通信衛(wèi)星綜合能力評估指標體系主要包括衛(wèi)星覆蓋能力、通信服務(wù)能力、生存能力和衛(wèi)星綜合運用能力。

衛(wèi)星的覆蓋能力包括衛(wèi)星對一類作戰(zhàn)區(qū)域、二類作戰(zhàn)區(qū)域的覆蓋率、點波束覆蓋率和覆蓋頻段。一類作戰(zhàn)區(qū)域是指重點、核心地區(qū)，衛(wèi)星能夠直接形成信息支援的區(qū)域；二類作戰(zhàn)區(qū)域是指雖不能形成信息支援，但卻具有潛在支援能力的區(qū)域。根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)劃分的作戰(zhàn)區(qū)域等級不同。波束覆蓋范圍主要考慮點波束覆蓋區(qū)域與衛(wèi)星視場覆蓋區(qū)域的比值。覆蓋頻段主要用衛(wèi)星擁有的通信頻段個數(shù)。

通信服務(wù)能力和生存能力參考文獻[1]。

衛(wèi)星綜合運用能力主要包括衛(wèi)星調(diào)度支援能力、衛(wèi)星運用率、衛(wèi)星唯一性和衛(wèi)星戰(zhàn)術(shù)性。衛(wèi)星調(diào)度支援能力是指當處于一類作戰(zhàn)區(qū)域的衛(wèi)星失效后，現(xiàn)有的通信衛(wèi)星可能采取機動調(diào)整，使原本不能對重點區(qū)域提供信息支援的衛(wèi)星經(jīng)過變軌后提供信息支援。作為同步軌道衛(wèi)星，選用衛(wèi)星調(diào)度支援調(diào)整經(jīng)度作為衡量衛(wèi)星支援能力的指標。

1.3 通信衛(wèi)星評估指標的獲取

在能力評估中，有些指標諸如覆蓋率等指標是可以通過仿真計算而得到具體數(shù)值的，而有些指標如戰(zhàn)術(shù)性等指標只能通過定性分析獲取。

1）定量指標的獲取

在衛(wèi)星綜合能力評估指標中，很多定量指標是可以直接通過解析法建立數(shù)學(xué)模型和軌道仿真法等求出具體數(shù)值。

2）定性指標的獲取

對于定性指標，一般采取專家打分法或者決策者理論分析進行量化處理。通過指標屬性的大小分類進行量化。對定性的屬性采用9級量化理論進行量化[2]，9級分別表示最差、很差、差、較差、一般、較好、好、很好、最好，并進行歸一化處理。如表1所示。

表1 定性指標量化評價值

1.4 通信衛(wèi)星綜合能力評估指標權(quán)重的確定

確定權(quán)重系數(shù)方法很多，較常用的是層次分析法（AHP）。層次分析法確定權(quán)重需要進行一致性檢驗，特征值計算繁瑣，而且當比較元素超過9個時，心理學(xué)認為此時的判斷是不準確的。當建立好層次型的指標體系時，需要獲取底層指標相對頂層指標的權(quán)重系數(shù)時，本文采用一種無需一致性檢驗的方法——逐層序關(guān)系分析法。它是以序關(guān)系法為基礎(chǔ)，各層分別運用序關(guān)系法計算權(quán)重。逐層序關(guān)系法是通過對特征值法進行改進，具有的優(yōu)點有：不用構(gòu)造判斷矩陣，更無需一致性檢驗；對同一層次的元素個數(shù)沒有限制；具有保序性；計算量比特征值法成倍地減少；方法簡便、直觀，便于應(yīng)用。由于篇幅有限，具體方法使用過程參見參考文獻[3]。

2 基于TOPSIS的衛(wèi)星綜合能力評估[3-4]

理想點法的思想源于多元統(tǒng)計分析中的判別問題。其本質(zhì)上是一種雙基點法（理想解與負理想解法），它基于歸一化后的原始數(shù)據(jù)矩陣，找出備選方案中的最優(yōu)方案和最劣方案的距離（用差的平方和的平方根值表示），從而得出該方案與最優(yōu)方案的接近程度，并以此作為評估各方案優(yōu)劣的依據(jù)。步驟為：

1）設(shè)接受評估的衛(wèi)星有m顆，構(gòu)成衛(wèi)星指標集(p1,p2,...,pm)；影響通信衛(wèi)星能力的主要因素有n個，構(gòu)成能力指標集為 (q1,q2,...,qn)；第i顆衛(wèi)星的第j個能力指標為rij，構(gòu)成評估指標集R= {rij},(1 ≤i≤m,1 ≤j≤n)。

2）比較各指標，對各指標進行無量綱化。有些指標屬于越大越好型，有些則屬于越小越好型，因此，需要對各指標進行無量綱化。構(gòu)成新的標準化矩陣X= {xij},(1 ≤i≤m,1 ≤j≤n)。

對于指標值越大越好型的指標，如衛(wèi)星覆蓋率、衛(wèi)星容量等指標，可以采用如下式進行無量綱化：

對于指標值越小越好型的指標，如信息傳輸延遲時間、衛(wèi)星需要調(diào)整經(jīng)度等指標，可以采用式（2）進行無量綱化：

式中，wj為權(quán)重系數(shù)?？梢园吹闹档拇笮πl(wèi)星進行（升序）排序。此時，的值越小，表示衛(wèi)星的能力將越大。

為了將問題了解得更加全面，也可以同時考慮正負兩種理想系統(tǒng)，即定義一個合成指標：

按ih的大小進行排序，hi的值越大，表示衛(wèi)星的能力越大。

3 仿真算例

選取8顆各類同步軌道通信衛(wèi)星，定義一類作戰(zhàn)區(qū)域由以下邊界點合圍成：（38°N,60°E）、（25°N,85°E）、（20°N,100°E）、（0°N,120°E）、（0°N,150°E）、(54°N,150°E)、（54°N,120°E）、（54°N,90°E）；定義二類作戰(zhàn)區(qū)域由以下邊界點合圍成：（15°N,30°E）、（0°N,60°E）（6°S,105°E）、（0N,120°E）、（20°N,100°E）。設(shè)滿足最小通信仰角為5°，根據(jù)通信衛(wèi)星作戰(zhàn)區(qū)域等級的設(shè)置，主要考慮一類作戰(zhàn)區(qū)域，經(jīng)度范圍為60°E～150°E，通過計算可知只要通信衛(wèi)星定點經(jīng)度在83.674°E ～ 156.326°E，通信衛(wèi)星波束尋訪區(qū)能夠完全覆蓋到一類作戰(zhàn)區(qū)域。通過仿真或多名專家調(diào)查后獲取的8顆同步軌道通信衛(wèi)星指標基本參數(shù)如表2所示。

表2 8顆同步軌道通信衛(wèi)星綜合能力指標基本參數(shù)表

通過逐層序關(guān)系法可以求得底層各指標相對頂層指標的權(quán)重值依次為（0.3396，0.2612，0.2177，0.1815，0.0564，0.0466，0.0513，0.0326，0.0677，0.0358，0.0272，0.0469，0.0619，0.0788，0.2198，0.3166，0.2638，0.1998）。

構(gòu)造一個8×18的衛(wèi)星綜合能力指標矩陣，8行表示8顆衛(wèi)星，18列表示18個指標；根據(jù)式（3）、（4）、（5）可以求得各顆衛(wèi)星的、hi值如表3所示。

表3 各顆同步軌道衛(wèi)星距離理想點的距離及排序

根據(jù)表3的計算結(jié)果，可知同步軌道衛(wèi)星的綜合能力排序為：GEO-8? GEO-3 ?GEO-6 ?GEO-5?GEO-4 ?GEO-7 ?GEO-1?GEO-2。

GEO-8衛(wèi)星位置處于一類作戰(zhàn)區(qū)域，屬于核心區(qū)域，覆蓋面大，傳輸速率和通信容量均較大，因此其綜合能力排名第一；GEO-3衛(wèi)星由于其容量大，處于核心區(qū)域附近，只需要稍微調(diào)整即可對核心區(qū)域提供通信服務(wù)支援，可保障用戶數(shù)量多，綜合能力排名第二；GEO-1和GEO-2衛(wèi)星雖處于核心區(qū)域附近，但由于其傳輸速率和通信容量等重要指標較弱，因此綜合能力相對較小。計算結(jié)果符合預(yù)期結(jié)果。當然，這樣的計算只是在設(shè)定的作戰(zhàn)區(qū)域等級范圍內(nèi)，當一類作戰(zhàn)區(qū)域或二類作戰(zhàn)區(qū)域的范圍發(fā)生改變時，其綜合能力的大小順序則可能隨之發(fā)生變化。因為針對不同的作戰(zhàn)區(qū)域，使用的衛(wèi)星截然不同，衛(wèi)星的綜合能力也不相同。

4 結(jié)束語

本文采用逼近理想點法對通信衛(wèi)星綜合能力進行評估，并通過實例驗證了該方法簡單可行，易于操作。對于同類評估問題的研究具有一定的參考價值。

[1]尹江麗,王莉.軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)效能評估指標體系[J].兵工自動化,2008,27(6):9-11.

[2]高田,景占榮,羊彥,等.基于 TOPSIS的導(dǎo)彈威脅評估方法研究[J].飛行器測控學(xué)報,2008,27(5):15-17.

[3]郭亞軍.綜合評價理論、方法及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[4]董元帥,唐伯明.改進的TOPSIS在水泥混凝土路面使用性能評價中的應(yīng)用[J].公路工程,2009,34(6):65-67.